ANALISIS PEMODELAN VERTIKAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS MENGGUNAKAN PENGUAT ARAH
ANGIN (WIND BOOSTERS) DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC
PANJI UTOMO 41316010001
PROGRAM STUDI TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MERCU BUANA JAKARTA 2020
LAPORAN TUGAS AKHIR
ANALISIS PEMODELAN VERTIKAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS MENGGUNAKAN PENGUAT ARAH
ANGIN (WIND BOOSTERS) DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC
Disusun Oleh:
Nama : Panji Utomo NIM : 41316010001 Program Studi : Teknik Mesin
HALAMAN PENGESAHAN
ANALISIS PEMODELAN VERTIKAL AXIS WIND TURBINE TIPE SAVONIUS MENGGUNAKAN PENGUAT ARAH
ANGIN (WIND BOOSTERS) DENGAN METODE COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC
Disusun Oleh:
Nama : Panji Utomo
NIM : 41316010001
Program Studi : Teknik Mesin Telah diperiksa dan disetujui oleh pembimbing
Pada tanggal: 18 Juli 2020
Mengetahui Dosen Pembimbing
Yuriadi Kusuma, Ir. M.Sc.
Koordinator Tugas Akhir
HALAMAN PERNYATAAN
Yang bertanda tangan di bawah ini:
Nama : Panji Utomo
NIM : 41316010001
Jurusan : Teknik Mesin
Fakultas : Teknik
Judul Tugas Akhir : Analisis Pemodelan Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT) Tipe Savonius Menggunakan Penguat Arah Angin (Wind Boosters) Dengan Metode Computational Fluid Dynamic (CFD)
Jakarta,18 Juli 2020
Panji Utomo Dengan ini menyatakan bahwa saya melakukan Tugas Akhir dengan sesungguhnya dan hasil penulisan Laporan Tugas Akhir yang telah saya buat ini merupakan hasil karya sendiri dan benar keasliannya. Apabila ternyata di kemudian hari penulisan Laporan Tugas Akhir ini merupakan hasil plagiat atau penjiplakan terhadap karya orang lain, maka saya bersedia mempertanggungjawabkan sekaligus bersedia menerima sansksi berdasarkan aturan di Universitas Mercu Buana.
PENGHARGAAN
Puji syukur selalu dan tak lupa penulis panjatkan kepada kehadirat Tuhan yang Maha Kuasa, Allah SWT, karena atas nikmat, ridho, dan karunia-Nya, penulis dapat menyelesaikan Tugas Akhir dengan tepat waktu dan dapat menyusun laporan Tugas Akhir. Penyusunan laporan Tugas Akhir merupakan sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan seluruh rangkaian kegiatan Tugas Akhir dan sebagai salah satu syarat untuk menempuh ujian jenjang Sarjana Strata Satu (S1) di Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana.
Dalam proses melaksanakan kegiatan dan peyusunan laporan Tugas Akhir, penulis menyadari begitu banyak bantuan dan dukungan dari berbagai pihak baik secara moral maupun langsung.
Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis ingin menyampaikan ucapan terimakasih sebesar – besarnya kepada:
1. Prof. Dr. Ngadiro Surip, MS. Selaku Rektor Universitas Mercu Buana.
2. Dr. Ir. Mawardi Amin, MT selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana.
3. Dr. Nanang Ruhyat, MT., selaku Kaprodi Teknik Mesin Universitas Mercu Buana.
4. Kedua orang tua, Ayahanda Mochamad Sodik dan Ibunda Eny Setyo Widayati yang telah membiayai kuliah penulis.
5. Alief Avicenna Luthfie, S.T., M.Eng. Sekertaris Program Studi selaku koordinator Tugas Akhir Program Studi Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana.
6. Bapak Dosen sebagai dosen pembimbing Yuriadi Kusuma, Ir. M.Sc. yang telah memberikan pengarahan dan nasehat selama proses pembuatan laporan ini. 7. Teman – teman Tugas Akhir Panji Utomo, Rodivan Umar, Hardi Gunawan dan
Teman lainnya yang telah membantu dalam segala hal. 8. Irna Novi Tri Yani yang telah memberikan semangat.
9. Teman-teman jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknik Universitas Mercu Buana angkatan 2016 yang selama ini memberikan bantuan dan dukungan.
Penulis sangat menyadari masih terdapat banyak kekurangan dalam laporan ini hal tersebut tidak lain karena keterbatasan pengetahuan yang dimiliki penulis. Oleh karena itu, penulis dengan sangat terbuka menerima segala kritik dan saran yang bersifat membangun. Akhir kata, penulis berharap agar laporan Tugas Akhir ini dapat bermanfaat bagi pembaca.
Jakarta, 18 Juli 2020
ABSTRAK
Energi listrik merupakan salah satu kebutuhan penting dalam kehidupan, Bahan bakar minyak atau energi fosil merupakan salah satu sumber energi yang bersifat tak terbarukan (non renewable energy sources) yang selama ini menjadi komoditas bahan bakar pembangkit energi listrik untuk memenuhi kebutuhan energi listrik di seluruh sektor kegiatan yang semakin menipis persedianya di alam. Sistem Konversi Energi Angin Vertikal Axis Wind Turbine (VAWT) Savonius, menjadi solusi kebutuhan listrik pada daerah berkecepatan rendah. Trubin Savonius Semi Circular dipilih karena mudah dibuat, simulasi dilakukan dengan metode berbasis CFD menggunakan Software ANSYS CFX. Trubin Savonius Semi Circular dengan Overlap ratio 0 % atau tanpa celah angin diantara Bucket mendapatkan torsi sebesar 0,95 Nm dengan daya 1,9 Watt, Turbin Savonius Overlap Ratio 10 % mendapatkan nilai torsi sebesar 1,07 Nm dengan daya 4,5 Watt, dan Turbin Savonius Overlap Ratio 10 % dengan menggunakan Wind Boosters mendapatkan nilai torsi 1,12 Nm dengan daya 4,7 Watt. Simulasi yang dilakukan menggunakan kecepatan angin rata-rata 2 m/s pada wilayah perkotaan.
Kata kunci: Turbin Savonius, Computational Fluid Dynamics, Wind Boosters, Penguat Arah Angin.
ABSTRACT
Electrical energy is one of the important needs in life, Oil fuel or fossil energy is one of the sources of energy that is non-renewable (non renewable energy sources) which has been a fuel commodity for electricity generation to meet the needs of electrical energy in all sectors of activity that are increasingly depleting its availability in nature. Savonius Vertical Axis Wind Turbine (VAWT) Energy Energy Conversion System, is a solution for electricity demand in low speed areas. Savonius Semi Circular Trubin was chosen because it was easy to make, the simulation was carried out using a CFD based method using ANSYS CFX Software. Savonius Semi Circular Trubin with Overlap ratio of 0 % or without a wind gap between Buckets gets a torque of 0.95 Nm with a power of 1.9 Watt, Turbine Savonius Overlap Ratio of 10 % gets a torque value of 1.07 Nm with 4.5 Watt power, and Turbine Savonius Overlap Ratio of 10 % using Wind Boosters gets a torque value of 1.12 Nm with a power of 4.7 Watt. Simulations performed using an average wind speed of 2 m/s in urban areas.
Keywords: Savonius Turbines, Computational Fluid Dynamics, Wind Boosters, Wind Direction Amplifiers.
DAFTAR ISI HALAMAN PENGESAHAN ... i HALAMAN PERNYATAAN ... ii PENGHARGAAN ... iii ABSTRAK ...v ABSTRACT ... vi
DAFTAR ISI ... vii
DAFTAR GAMBAR ...x
DAFTAR TABEL ... xi
DAFTAR SIMBOL ... xii
BAB I PENDAHULUAN ...1
1.1. LATAR BELAKANG 1 1.2. RUMUSAN MASALAH 2 1.3. TUJUAN PENELITIAN 3 1.4. BATASAN DAN RUANG LINGKUP MASALAH 3 1.5. SISTEMATIKA PENULISAN 3 BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...5
2.1 STUDI LITERATUR 5
2.2 ENERGI ANGIN 6
2.3 TURBIN SAVONIUS 8
2.4 GOEMETRI DAN PARAMETER TURBIN SAVONIUS 9
2.4.1 Overlap Ratio 10
2.4.2 Aspect Ratio 10
2.4.3 End Plate 11
2.4.4 Jumlah Bucket 12
2.4.5 Bentuk Bucket 13
2.4.6 Stage And Shaft 14
2.4.7 Swept Area 15
2.5.1 Tip Speed Ratio 16
2.6 WIND BOOSTERS 17
2.7 SOLIDWORKS 19
2.8 COMPUTATIONAL FLUID DYNAMIC (CFD) 20
2.8.1 Software Ansys CFX 22
2.8.2 Boundary Condition 23
2.8.3 Bilangan Reynold 24
2.8.4 Turbulence Intensity 26
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 27
3.1 DIAGRAM ALIR 27
3.2 ALAT DAN BAHAN 28
3.3 TAHAP PENELITIAN 28
3.3.1 Data Kecepatan Angin 28
3.3.2 Menentukan Karakteristik Turbin Savonius 29
3.3.3 Parameter Dan Geometri Desain 29
3.3.4 Simulasi Turbin Angin Savonius dan Wind Boosters 31
3.3.5 Gambar Teknik dan Meshing Savonius 35
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ... 38
4.1 PERHITUNGAN DIMENSI GEOMETRI 38
4.2 PERHITUNGAN DAYA ANGIN DAN TIP SPEED RATIO (TSR) 40
4.3 PERHITUNGAN REYNOLD DAN INTENSITY TURBULANCE 41
4.4 HASIL SIMULASI 42
4.4.1 Turbin Savonius Overlap Ratio 0 % 42
4.4.2 Turbin Savonius Overlap Ratio 10 % 44
4.5.2 Coefficient of Power Turbin Savonius 47 BAB V PENUTUP ... 49
5.1 KESIMPULAN 49
5.2 SARAN 50
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.2 Efisiensi turbin angin Betz 8
Gambar 2.3 Desain dua dimensi 9
Gambar 2.4 Desain tiga dimensi 9
Gambar 2.5 Aspect ratio 10
Gambar 2.6 Gerafik pengaruh end plate 11
Gambar 2.7 Dimensi bedasrkan jumlah bucket 12
Gambar 2.8 Grafik rata -rata Coefficient of Power bucket 12
Gambar 2.9 Semi-circular profil bucket 13
Gambar 2.10 Twisted profil Bucket 13
Gambar 2.11 Helical profil Bucket 14
Gambar 2.12 Jumlah stage 14
Gambar 2.13 Shaft 15
Gambar 2.14 Geometri wind boosters. 17
Gambar 2.15 Bentuk Guide Vanes 18
Gambar 2.16 Grafik Cp terhadap TSR sudut Guide Vanes. 19
Gambar 2.17 Logo Solidworks 20
Gambar 2.18 Kualitas mesh skweness 22
Gambar 2.19 Computer fluid dynamic contur 23
Gambar 3.1 Diagram alir. 27
Gambar 3.2 ANSYS workbench 19.2. 32
Gambar 3.3 Geometry ANSYS. 32
Gambar 3.4 meshing Tetrahedron. 32
Gambar 3.5 Meshing rotor dan stator. 33
Gambar 3.6 Setup ANSYS CFX. 34
Gambar 3.7 Solution runing ANSYS convergen. 35
Gambar 3.8 Result ANSYS CFX. 35
Gambar 3.9 desain 3D dan 2D Savonius Overlap Ratio 0 %. 36 Gambar 3.10 desain 3D dan 2D Savonius Overlap Ratio 10 %. 36 Gambar 3.11 desain Savonius Overlap Ratio 10 % Wind Boosters. 37
Gambar 4.1 arah Vector Velocity. 42
Gambar 4.2 hasil Torsi Savonius Overlap Ratio 0 % 43
Gambar 4.3 Pressure Contour Savonius Overlap Ratio 0 %. 43 Gambar 4.4 hasil Torsi Savonius Overlap Ratio 10 %. 44 Gambar 4.5 Pressure Contour Savonius Overlap Ratio 10 % 44 Gambar 4.6 Velocity Streamline Savonius Overlap Ratio 10 %. 45 Gambar 4.7 hasil Torsi Savonius Overlap Ratio 10 % Wind Boosters. 45 Gambar 4.8 Pressure Contour Savonius Overlap Ratio 10 % Wind Boosters. 46
Gambar 4.9 grafik daya turbin. 47
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 kecepatan angin rata-rata BMKG Jakarta 2020. 6 Tabel 2.2 kecepatan angular dengan keceptan angin. 18 Tabel 2.3 optimalisasi variabel bentuk Guide Vanes. 19
Tabel 3.1 Alat dan bahan. 28
Table 3.2 Data kecepatan angin perkotaan. 29
Tabel 3.3 Dimensi ukuran awal turbin angin Savonius. 30
Tabel 3.4 Parameter tetap Bucket. 31
Tabel 3.5 Dimensi ukuran Wind Boosters. 31
Tabel 3.6 pengaturan meshing. 33
Tabel 3.7 parameter Setup. 34
Tabel 3.8 jumlah elements dan nodes. 37
Tabel 4.1 Dimensi geometri Turbin Savonius. 39
Table 4.2 Hasil daya angin dan TSR. 41
Tabel 4.3 perhitungan bilangan Reynold dan Intensity Turbulance. 41
Tabel 4.4 daya turbin 47
DAFTAR SIMBOL
Simbol Keterangan
𝛽 Panjang overlap ratio 𝑒 Overlap ratio
𝑚 Masa udara
𝜌 Masa jenis udara
𝑟 Jari-jari rotor
𝑣 Kecepatan angin
𝜔 Kecepatan angular
𝜆 Tip speed ratio
𝜇 𝑣𝑖𝑠𝑘𝑜𝑠𝑖𝑡𝑎𝑠 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡 fluida dinamis A Swept area luas sapuan
𝐴𝑟 Aspect ratio 𝐶𝑝 Coefficient of Power 𝐷 Diameter rotor 𝐸 Energi 𝐻 Tinggi rotor 𝐼 Turbulence intensity Pa Daya angin
𝑃𝑜𝑢𝑡 Daya output power
𝑃𝑡 Daya turbin
𝑃𝑎 Daya angin
𝑅𝑓 End plate
𝑅𝑃𝑀 Revolution per Minute
𝑅𝑒 Bilangan reynold
